（机械电子工程专业论文）装载机定轴变速器性能及传动系匹配研究.pdf

摘要 摘要 近年来，作为工程机械传动系统的核心部件，电液控制的定轴式动力换档变 速器以其可靠性高、寿命长、制造简单等优点得到越来越多的应用。然而，与国 外企业相比，目前国内企业对定轴式变速器的自主研发尚处起步阶段。为了提高 定轴式变速器的性能，并为定轴式变速器的设计提供更多的理论支持和设计方 法，本文以理论分析、计算机仿真和台架试验为手段，提出了定轴式变速器与整 机动力匹配及提高换档品质的设计和优化方法。 首先，分析了装载机动力传动系统的组成结构及其各组成部分的特性，并相 应地建立各部分的数学模型。根据柴油发动机与液力变矩器的实验数据，采用最 小二乘法拟合出发动机外特性及变矩器原始特性，提出计算发动机与液力变矩器 共同工作点的优化算法，并采用功率匹配完成变矩器循环圆直径的优化。 然后，根据其动力传动系统各组成部分之间相对的独立性，基于模块化建模 思想，应用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立发动机、液力变矩器、变速箱和驱动 桥、整车模块，组合成装载机动力传动系统仿真模型。同时，确定了三参数节能 换档规律的换档点，并利用s t a t e f l o w 建立换档逻辑控制模块。分别在手动 换档方式和智能换档方式下对装载机的行驶工作特性和铲装工作特性进行模拟 并对结果对比分析。 接着，对定轴式动力换档变速器进行了传动效率试验和空载损失试验，得出 变速器各档最高传动效率和空载损失；将理论计算的变速器传动效率与试验传动 效率进行对比分析，证明理论计算的正确性。另外进行了变速器换档过程油压试 验，得到变速器换档过程中各档离合器油压变化试验数据，为研究变速器换档平 顺性提供试验基础。 最后，对定轴式变速器湿式换档离合器的工作原理及其特点进行分析，建立 了离合器起步过程和换档过程的动力学模型；分析离合器接合品质的影响因素及 评价指标，提出油压梯度的概念；进行了变速器换档品质试验，验证试验的可行 性，为改善换档品质提供试验基础。 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 关键词：定轴式变速器；动力传动系统；换档平顺性 本文的工作主要依托笔者参与的国家科技支撑计划课题：典型工程机械轻 量化技术及应用，项目编号：2 0 1 l b a f l l b 0 l ，以及福建省重大科技计划项目： 装载机定轴电控换档变速器技术创新与应用，项目编号：2 0 1 1h 6 0 2 4 i i a b s t ra c t a b s t r a c t i nr c c e n ty e 娜，t l l ee l e c 仃d h y d r a u l i cp o w e rc o m r o l l e df i x e d - a x i s 咖s “s s i o 玛 w i l i c hi sr e g 鲫d e d 觞也ec o r ec o m p o n e mo ft 1 1 e 也m s m i s s i o ns y s t e mi i le n g i n e 耐n g m a c h i i l e r y ，h a v eb e e nb r o a d l yu s e dd u et 0i t sa d v a i l 乜喀e so fl l i g hr e l i a b i l i 够，l o n gl i f e 觚de 舔yt om 锄u f a c t l 鹏h o w e v e r ，b yc o n t l 锻w i mf o r e i 印e 州辩s ，t 量1 e i n d e p e n d e n tr & do fd o m e s t i ce n t e r l 埘s e so nt 1 1 ef i x e d - a ) 【i st r a 芏l s 芏i l i s s i o ni ss t i l lw e a l 【 i no r d e rt oi i i l p r o v en l e 刚0 锄趾c eo ft h ef i x e d s h a rt r a n s m i s s i o n 髓dp r o v i d em o r e 廿l e o r e t i c a ls u p p o r ta n dd e s 远皿m e 廿1 0 d s ，ad e s i 弘a i l do p t i n l i z a t i o nm e m o d o l o g ) ，o fm e 血e d a ) 【i s 仃a 璐m i s s i o n 锄dm a c l l i i l ep o w e rm a t c l l i n g 、弱p r o p o s e dt oi m p r o v et l l e s 1 1 i f tq u a l i t ) ，b yt l l e o r e t i c a l 锄【a l y s i s ，c o i n p u t e rs i m u l a t i o n 觚db e n c ht e s ti i lt h i sp a p e r f i r s t l y ，m ec o m p o s i t i o no f t 量l el o a d e r t sp o 删ns y s t e m 锄dt l l e i rf i e a t u r e sw e r e a i l a l y z e d ，a i l dm e n t ：h em a 日：l e m a t i c a lr n o d e l so ft h ev a r i o l l sp a n so ft h el o a d e rw e r e e s t 乏l b l i s h e d b a s e do nt l l ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft l l ed i e s e le n g i n e 锄dt o r q u ec o n v e r r t e r a n db yu s i n gt l l el e a s ts q u a r em e l o dt 0f i tt l l e 谢g i n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e 西n e e x t e 加mc t e r i s t i c s 粕dt o r q u ec o n 、，e n e r ，也eo p t i m i z a t i o na l g o r i t l l mf o rt l l e c a l c u l a t i i l gm ee n 酉n ea n dt o r q u c c o n v e n e ro p e r a t i n gp o 缸w 勰p r o p o s e d ，锄d m e r e f o r em eo p t i m i z a t i o no ft l l ec i r c l ed i 锄e t e ro ft h ec o n v e r t e rl o o pw 勰a c 王l i e v c d b 雒e do nt l l er e s u l to fm ep o w e rm a t c l l i n g s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt om er e l a t i v ci n d e p e n d e n c eb g 呐e e nv a r i o u sc o m p o n e 】吣， 锄db 罄e do nm o d u l 撕锣t l l e o 匆，1 es 缸m l a t i o nm o d e lo ft h el o a d e r i sp o 删n s y s t e l i l ，w l l i c h 硫l u d e se n g i n e ，t o r q u ec o n v e n e r ，们i l s 耐s s i o n 锄d “v ea ) 【l e ，m e v e l l i c l em o d u l e ，w a se s t a b l i s h e db yu s i n g 恤m a t l a b s i m u l 玳ks o r 啪r e m e a i l w l l i l e ，m e 缸e e - p a r a m 嗽e r g y - e f j f i c i e n ts l l i rs c h e d u l e 锄dt l l es t l i rp o i n t s w e r ei d e n t i f i e d ，嬲dm e 妣f tl o g i cc o n 昀lm o d u kw a sc o n s n 佻t e db yu s i n g s t a t e f l o w 1 1 1 e 荫v 啦c 妇a c t 耐s t i c so f 舭l o a d e r 粕di t ss h 0 v e lw o r kf e 栅s w e r es i m u l a t e d 锄dt h er e s u l t sw e r e 锄a 1 ) ，z e dc o m p a r a t i v e l yu n d e r 廿l em 柚u a ls h i r m o d e 锄di n t e l l i g e n ts l l i rm o d er e s p e c n v e l y i 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 1 1 l i r d l y ，t 1 1 em g l l e s t 仃a l l s m i s s i o ne 衔c i e n c yo fe a c hg e a r so ft h e 缸锄s m i s s i o na n d n o l o a dl o s s e sw e i r eo b t a j n e dm r o u g l lm e 缸- 趾s 血s s i o ne m c i e n c yt e s ta i l dn 0 - l o a dl o s s t e s t t h e nt l l et 量l e o r e t i c 削r e s u l t sa r l d l e e x p e r i m e n t 硝r e s u l t so ft 吼s m i s s i o n e 丘i c i e n c y w e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e dt 0d e m o m 撇 l ec o r r e 咖e s so ft h e m e o r e t i c a lr e s u l t s i na d d i t i o l l ，i no r d e rt 0p r 0 v i d et h ef 0 吼d a t i o nf o rt 1 1 er e s e a r c ho n 衄l s m i s s i o ns l l i rc o m f o n ，n l ec l l a i i l g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo i l p r e s s u 咒o f 吐l e 眦s m i s s i o ns l l i rg e 盯c l u t c hw e r eo b t a i n e dm r o u g l l 协m s m i s s i o ns b j rp r o c e s s h y ( 1 r a u l i ct e s t f i n a l l y ，此w o r k j n g 砸n c i p l e 趿( 1c h a r a c t e r i s t i c so fm ew 吼c l u t c ho f 恤 f i x e d - a x i s 懈m i s s i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dm ed y n a i i l i cm o d e l so ft 1 1 ec l u t c h - s s t 枷n gp r o c e s s 锄ds h j r i n gp r o c e s sw e r ee s t d b l i s h e d t i l ec o n c e p to fm eh y d r a l l l i c g r a d i e n tw 舔p u tf o n a r db ya n a l y z i n gi i l n u e n c i n gf - a c t o r sa n de v a l u a t i o ni i l d e x e do f t 1 1 ec l u t c he n g a g 锄e n tq u a l i 缈b ys t u d y i n gf i x e d a x i s 仃a n s m i s s i o ns b j rq u a l i 饥t h e f e a s i b i l i t ) ro ft l l et e s tt oi m p r 0 v es 1 1 i rq u a l i 够i sv e r i f i e d k q 唧o r d s ：f i x e d - 戤i s1 i m s m i s s i o n ；p o w e 咖抽s y s t e m ；蛳rc o m f o r t t h i st h e s i si ss u p p o n e db yt h en a t i o n a lk e y1 e c h n o l o 斟r & dp m g m m ，c h i n a ( n o 2 0 1 l b a f l l b 0 0 0 1 ) a n dt h em a j o rp i d g r a mo fs c i e n c ea n d1 e c h n o l o g yf o u n d a t i o nf o rt h eu n i v e 聃i 哪i nf u j i a np r o v i n c e ，c h i a ( n o 2 0 1 1 h 6 0 2 4 ) i v 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 工程机械在城市建设、交通运输、农田水利、能源开发、近海开发、机场码 头和国防建设中，都起着十分重要的作用。工程机械为现代化建设提供了先进的 施工机具和手段，和其他各种机械一样，工程机械在整个国民经济与现代化建设 中占有很重要的地位【旧。 轮式装载机是工程机械的主要机种之一，用途广泛，主要用于对散状物料进 行铲装、运输、卸载及平整作业。若换装相应的工作装置，还可以进行推土、起 重、装卸木料及钢管等作业。因此，它被广泛应用于建筑、矿山、铁道、公路、 水电、港口、农田基本建设及国防等工程中，对于减轻劳动强度，加快工程建设 速度，提高工程质量起着重要的作用1 3 1 。 根据装载机作业情况复杂的特点，为提高装载机对载荷剧烈变化的适应能 力，其主传动系统一般采用液力机械传动【4 】。近几年来，3 t 型和5 t 型装载机在国 内装载机的市场占有率均达到过了9 0 ，基本上都采用液力变矩器与变速箱组合 的双变系统传动形式【5 】。液力变矩器以液体为传递介质，通过工作液体在循环流 动中的液体动能变化来传递动力，其在装载机上的应用，极大地简化了车辆的操 纵，装有液力变矩器的动力传动系统可以保证系统平稳起步、变速和变矩，提高 了操作人员的舒适性以及对外负载剧烈变化的适应性，同时还可以吸收传动系的 扭振，降低冲击，提高寿命等优点。缺点在于其液力传递效率不如纯机械传动的 效率高，如图1 1 ( a ) 所示的液力变矩器效率曲线，可见变矩器的高效区范围占 总体效率区的4 5 左右，高效区间比较窄( 一般对工程机械而言，变矩器效率在 7 5 以上为高效区) 。为提高液力变矩器的效率范围，有的变矩器效率具有双波 峰，有的变矩器带有闭锁功能，另外增加变速器的档位并利用自动变速技术，自 动切换档位，使变矩器速始终工作在高效区( 图1 1 ( b ) 所示) 。 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 ， 7 5 o ( a )( b ) 图1 1 液力变矩器效率曲线 液力传动具有自动适应性好，提高动力传动部件的使用寿命，提高车辆通过 性、操作舒适性等优点，因此液力机械变速器的性能对整车的性能有重要影响， 当发动机与液力变矩器组合后，可视为一种新的动力装置，具有新的性能特性， 并且直接影响到装载机的牵引性能和工作效率。发动机与液力变矩器共同工作输 入、输出特性的确定是进行液力传动车辆性能计算的基础，是液力传动车辆动力 传动系匹配及其优化设计的前提；装载机常处在不同工况下工作，导致发动机输 出力矩不稳定，因此需要合理匹配液力变矩器，既要研究两者之间的共同工作情 况，即变矩器与发动机的合理匹配，更要研究怎样的配合才能获得理想的性能等 【6 7 】 o 装载机属于循环作业机械，归纳起来常用的有4 种典型作业方式：v 型、i 型、l 型和t 型，作业过程中的档位变换及前进倒退档转换频繁，以图1 2 所示 的装载机v 型作业方式为例：装载机完成一个工作循环需前进、后退共4 次过 程，至少需进行4 次档位的切换，若不采用k d 换档则换档次数将大大增加。按 一个工作循环时间3 0 s ，切换4 次档位，一天工作8 个小时计算，装载机换档次 数高达1 2 0 0 次。如此频繁的换档，若变速器换档品质差，将大大增加传动系的 动载荷，可见液力变速器换档品质对车辆的乘坐舒适性及动力传动系统零部件的 使用寿命有很大的影响【8 】。对换档频繁、工作环境恶劣的工程车辆，尤其是使用 液力传动变速器的工程车辆而言，由于液力传动具有传动效率低、换档需要过程， 这就要求变速器既要快速切换档位提高效率、传递动力，又要避免冲击，因此传 动系统换档品质的研究和控制显得更加重要。研究换档品质控制的目的是减少换 档冲击，使换档快捷、平稳、无冲击地进行，提高车辆的乘坐舒适性和使用寿命 2 第一章绪论 图1 2 “v 型作业方式 综上所述，研究电液控制液力机械变速器性能、动力匹配及换档品质，对提 高装载机整机牵引性能、作业效率、驾驶舒适性，降低传动系动载荷，提高零部 件使用寿命具有重要的现实意义。 1 2 装载机变速器研究与发展现状 1 2 1 国外装载机变速器研究与发展现状 装载机的传动系皆从拖拉机、汽车传动系演变而来。2 0 世纪6 0 年代初，装 载机的特征结构形式已基本定型，其传动系的型式格局也随之框定，小型机多采 用机械式传动，中性和大型装载机采用动力换档( 液力机械或全液压传动) ，超 大型装载机( 矿山开挖) 采用电拖动及电动轮方式( 如美国马拉松公司的产品) 。 液力机械变速器与机械变速器的性能比较见表1 1 。其中，液力机械传动的发展 有两种流派，一是以克拉克( c l a i ) 为代表的定轴式，产品强度高、可靠、 耐用；另一类是以卡特彼勒为代表的行星式。采埃孚( z ff r i e 嘶c h s h 妇la g ) 是专业车桥制造商，前期也长期生产行星式变速器，结构与卡特彼勒相似。行星 式变速器和定轴式变速器的性能比较见表1 2 。定轴式液力机械变速器集成了机 械变速器结构简单、便于制造等优点，又有液力机械传动的启动性能好，换档平 稳、方便等优点，适用于工程机械及工作状况与工程机械相类似的中小型机器 【l o ，1 1 1 。 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 表1 1 液力机械变速器与机械变速器的性能比较 型式液力机械变速器机械变速器 效率传动效率略低传动效率高 能随负荷的大小而改变速度；速度直接由人工操纵； 适应性 最佳状态下对负荷有广泛的适应性惯性大，载荷适应性差 能保护整机，延长使用寿命冲高级载荷大，使用寿命 寿命 相对较短 换档灵活性轻便、灵活费力、费时 表1 2 行星式变速器与定轴式变速器的性能比较 型式 项目 定轴式动力换档变速器行星式动力换档变速器 结构简单紧凑 承载能力相对较低承载能力大 制造工艺性只需通用制造工艺工艺水平要求高 生产成本较机械变速器高高出定轴变速器2 0 以上 系列化易于系列化，通用程度高系列化时通用程度较低 适用于中小功率及要求输出适用于功率较大并要求结构 适用性轴距较大的机械紧凑、输出轴矩要求较小的 机械 2 0 世纪3 0 年代首先在汽车上使用了液力机械变速器，到2 0 世纪五、六十 年代，工程机械使用液力机械变速器已比较普遍，而且发展很快。为了实现电液 换档，提高机器的作业性能，世界主要生产液力机械变速器的各公司相继淘汰了 自己的老产品，不断完善、更新本公司的系列产品，以满足不断发展中的工程机 械需要。如德国采埃孚( z f ) 公司生产了“w g 系列”产品，美国克拉克公司生产 了“1 8 0 0 ”系列和“2 8 0 0 ”系列产品，日本新泻公司( n i c o ) 生产的定轴式变速器 品种更是繁多。很多工程机械生产厂家也生产本公司产品所用的定轴式变速器， 如日本小松( k o m a t s u ) 、东洋运搬( t c m ) 、川崎( k 抓邯a k i ) 等公司。 4 第一章绪论 对液力机械变速器的性能研究主要集中在与发动机、传动系统的匹配问题 上。液力机械变速器与传动系的匹配研究在国外起步较早，这些研究更多集中在 汽车领域，开始于2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，代表成果有：1 9 7 2 年美国通用 汽车供公司开发出汽车动力性和燃油经济性的通用模拟计算程序g p s i m 程 序，该程序不仅可以模拟汽车在任何工况行驶下的瞬时油耗、累计油耗、行驶时 间和距离，预测汽车设计参数，如质量、传动比、空气阻力系数等的变化对汽车 性能的影响，还采用动态仿真计算作为自动防抱死系统的设计和测试工具。这一 时期，除了g p s i m 程序外，还有福特汽车公司的t o e f p 程序，康明斯公司的 v w s 程序，日本日产汽车公司的c s v f e p 程序，德国奔驰汽车公司的t r a s c o 程序，美国交通部的h e v s 玎订程序等。2 0 世纪8 0 年代后期，随着计算机的普及 和功能的逐步强大，使得通过模拟计算和试验相结合的方法来研究车辆动力传动 系统匹配问题成为可能。美国机械仿真公司开发的车辆动力学仿真软件，能针对 不同环境，进行车辆的动力学建模和分析，以及各种性能的虚拟试验，既节省了 时间和成本，有能保证试验的精确性、重复性和安全性【1 2 1 3 1 。 1 2 2 国内装载机变速器研究与发展现状 我国工程机械起步较晚，1 9 6 6 年在z l 3 5 装载机上使用的液力机械变速器是 我国首次使用的液力机械变速器。该产品一直延续使用至今，是定轴式换档变速 器。1 9 7 0 年开始在z l 5 0 装载机上使用行星式换档变速器的液力机械变速器，是 我国使用的第一台行星式变速器，此后又相继开发了类似的产品f l 。 国产装载机主要采用以下3 种液力传动变速器。 ( 1 ) 双涡轮4 元件变矩器+ 2 进l 退行星式变速器 这类变速器目前大量应用于国内销售的普通5 0 系列装载机上。它有1 个前进、 1 个后退2 个行星排，加上1 个直接档( 2 档) ，档位较少，可完全实现单杆操纵。四元 件液力变矩器的一级涡轮直接传给行星变速器输入轴，二级涡轮通过超越离合器 传给变速器输入轴。当高速轻载状态时，超速离合器分离，只有一级涡轮参与工作， 此时液力变矩器的变矩比较小；随着转矩的逐渐增大、速度逐渐降低，超越离合 器接合，2 个涡轮同时参与工作，此时液力变矩器的变矩比较大，整个变速器工作在 低速大转矩状态。超越离合器实现了重载和轻载两种工况的自动转换，使得这款 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 变速器的实际档位为4 进2 退，简化了机械变速箱的结构。 ( 2 ) 单涡轮3 元件变矩器与4 进4 退、4 进2 退或3 进3 退液力机械半动力换档变 速器组合 此类变速器的档位数较多，可以依靠换档来实现对强负荷的适应，降低变矩 器作用，无需采用复杂的变矩器结构来适应负荷的变化，变矩器的效率较高；但 换档操作会比较频繁。图1 3 所示的为山工5 0 型变速器的机械结构图。该液力变 速器的变矩器与变速箱是分置的，主变速部分具有4 个换档离合器( f 与r 离合器， f l 3 与f 2 4 离合器) ；另外副变速采用啮合套h l 进行高低速切换，高低切换操纵过 程中需要停车进行操作。山工5 0 型变速器传动结构简单，工作可靠，效率高；但 传动轴的数目较多，结构不紧凑，操纵复杂。 ( 3 ) 单涡轮3 元件变矩器与4 进3 退定轴式变速器组合 这类液力机械变速器除了输入轴与输出轴转动外，其他所有中间轴和倒档 轴都是固定不转的，在这些固定不转的轴上的齿轮都是独立的旋转部件，独立旋 转部件数目的增加扩大了档位选择的可能性，最多有9 个档位( 6 进3 退) 。典型产 品为杭齿引进z f 技术生产的w g l 8 0 和柳州z f 的w g 2 0 0 ，如图1 4 所示。此类变速 器的自由度数为3 ，通过离合器接合或分离同一轴线上的齿轮从而实现换档。变 速箱的多档位降低了液力变矩器的变矩要求，液力变矩器的形式为结构简单的单 级单相三元件，传动效率较高。但变速器的机械结构复杂、齿圈上带外齿轮、制 造要求较高、产量不多、成本高，目前主要配备在5 0 系列高端装载机和出口机型 【5 1 。 戡 鼢兰工。 二阙t 二 疆二 1 1 旷 k 4 1 k 3 。础 虱1 l 士一 。a 刁 打一 i l 图1 3 山工5 0 型变速器图1 4z fw g 2 0 0 变速器 6 第一章绪论 我国在汽车动力传动系的匹配和模拟计算方面的研究起步较晚，是近二十几 年来国内兴起的一个研究课题【1 4 】。研究的重点主要集中在以下几个方面：动力 传动系数学模型的研究、动力传动系统最优匹配的评价指标、动力传动系参数的 优化、模拟程序的应用研究、自动变速换档技术、换档品质的控制等方面。目前 国内动力性、燃油经济性、虚拟试验技术，以及车辆动力传动系统优化设计，具 有以下特点【l5 】：( 1 ) 汽车动力性、燃油经济性、平顺性的仿真计算方法已经普 遍应用，并在此基础上研究动力传动系优化匹配，已经影响平顺性的各参数优化 匹配；( 2 ) 以燃油经济性或动力性为目标函数，或以它们加权相加构造目标函 数，以动力性指标为约束条件，对各档传动比及主减速器传动比进行优化，具有 一定的实用性。 近年来，随着计算机技术的发展，摈弃了传动设计中根据设计者经验和车辆 在某些极限工况下的动力性要求来选择方案进行设计试验，试制物理样机，修改 设计方案，再试制、再试验的方法，而是充分发挥计算机技术，建立仿真模拟模 型，以期在产品开发之前就能够预测车辆的性能，甚至进一步的优化设计。与传 统设计方法相比，具有明显的优势，节省时间和开发成本，并能提高设计质量， 保证所设计的车辆具有的优良性能。 1 3 研究的主要内容 本文将发动机、定轴式动力换档变速器及机械传动系统视为一个统一整体进 行研究，以理论分析、计算机仿真和试验验证为手段，重点研究定轴式变速器的 性能包括与动力机及传动系的动力匹配、传动性能和换档品质。 本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 在对组成装载机动力传动系统的部件特性分析的基础上，进行发动机 和液力变矩器的共同工作匹配计算，获得液力变矩器循环圆有效直径的优化结 果，以达到发动机与液力变矩器的合理匹配；并对整机的牵引特性进行分析，绘 制出装载机牵引特性曲线。 ( 2 ) 基于模块化建模思想，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立起装载机 动力传动系统仿真模型。分别模拟装载机起步加速至高档的加速性能和铲装作业 过程，研究定轴式动力换档变速器在自动变速技术下相对手动换档方式的优越 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 性。 ( 3 ) 对定轴式变速器进行空载损失试验、传动效率试验和换档过程油压试 验，并将试验结果与理论结果对比分析。 ( 4 ) 分析定轴式变速器离合器接合特性，建立接合过程动力学模型，并进 行仿真，旨在研究变速器的换档平顺性能，根据影响换档平顺性的因素，找出改 善换档品质的方法；通过试验验证所建仿真模型的正确性，为改善变速器换档品 质奠定试验基础。 论文总路线图如图所示： 第四章装载机铲装特性分析i ：一j 一： 研究定轴式变速器，应将其融入装载机动力传动系统进行统一研究。首先分 析液力传动的特点，根据其液力传动效率较低的缺点，优化液力变矩器与发动机 合理匹配的循环圆有效直径；接着基于模块化建模思想建立装载机动力传动系统 仿真模型，旨在选定定轴式变速器前就能掌握定轴式变速器对整机性能的影响； 然后对定轴式变速器进行台架性能试验，并将理论分析结果与试验结果对比分 析，验证理论计算的正确性，为开发定轴式变速器提供理论基础；最后根据装载 机作业时需频繁换档的特点，分析定轴式变速器动力换档离合器接合特性，旨在 提高变速器换档品质，提高操作者工作舒适性，并进行换档品质试验，为改善换 档品质提供理论依据和奠定试验基础。 8 第二章装载机动力传动系统及其数学模型 第二章装载机动力传动系统及其数学模型 装载机动力传动系统指的是发动机和传动系统的总称，包括：发动机、液力 变矩器、变速器、万向传动装置、驱动桥等部分。发动机装置将柴油燃烧的热能 转换为机械能，驱动发动机输出轴转动。发动机将动力传递给液力变矩器泵轮， 泵轮通过带动液力变矩器内液力介质，将动力转换至涡轮轴输出，进而输入到变 速器输入轴，通过变速器、驱动桥等的进一步减速增扭最终将动力传至装载机车 轮。其动力传动系统如图2 1 所示。 图2 1 装载机动力传动系统筒图 1 发动机2 液力变矩器3 动力换档变速器4 驱动桥5 车轮6 传动轴 2 1 柴油发动机 装载机的动力是由发动机提供的，装载机作为工程机械之一，其主要工作方 式是以牵引作业为主、以运输作业为辅，并且在作业过程中伴随着负载的剧烈变 化。由于柴油发动机的燃油经济性随负载的变化比较平缓，力矩储备大，具有良 好的动力性和经济性，因此，装载机的发动机通常选用柴油机作为其动力装置。 一般工程机械用柴油发动机装有全程调速器，其配备调速器后发动机具有调速特 性，表示发动机在克服阻力矩时稳定工作的能力。发动机本身的速度特性不能满 足一些动力机械的要求，因为其转矩曲线比较平坦，当外界阻力有小量变化时， 9 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 发动机的转速就会有较大的波动，特别是对于工程机械而言，在工程作业时外负 载阻力经常处于波动，这就要求发动机具备良好的转速转矩特性。装有调速 器的发动机具有良好的转速转矩特性，其输出转矩可在转速变化很小的情况 下实现最大到零或由零到最大，以满足工程机械的作业。 以下建立了柴油发动机的数学模型。 全油门开度外特性 发动机的外特性【1 6 ，1 7 ，1 剐是发动机在油门开度最大的情况下输出转矩必和发 动机转速之间的关系。这里把发动机转矩必看成是发动机转速他的函数，外 特性曲线用二次描述： m 。= 口2 ，z 孑+ 口l 挖f + 口o( ，2 。m i n ，z 。，z 胡) ( 2 1 ) 式中：口2 ，口。，多项式系数；胛。曲发动机最小转速；发动机额 定转速； 利用已知的n 组发动机外特性试验数据( m 巧，) 其中j 2 0 ，l ，n ，应用最小 二乘法拟合曲线，即可得到发动机外特性曲线。 对于发动机调速特性曲线段，有： t = 彳，屯+ b ，( 疗掰丹。刀。瓢) ( 2 2 ) 式中：a ，卜多项式系数；发动机额定转速；刀。一发动机最大 转速。 图2 2 所示为某型发动机根据式2 1 、式2 2 拟合出来的的外特性曲线和调速 特性曲线( 图中m 。和分别为发动机的净扭矩和净功率) 。 l o 第二章装载机动力传动系统及其数学模型 图2 2 某型发动机外特性曲线和调速特性曲线 不同油门开度 柴油发动机在不同油门开度下，其发动机外特性不变，但其最大转速会有变 化。柴油发动机在各油门开度下的转速珂，和油门开度口的关系为： ，= a ( 疗一刀) + ，屯 ( 2 3 ) 柴油发动机调速特性的数学模型为【1 9 刎： 托( ，a ) = 6 1 + 6 0 口 ( 2 4 ) 式中：口。，口i ，口：，6 0 ，岛为待定系数，吼分别为柴油发动机的最高转速和最低怠 速转速。图2 3 所示为柴油机在不同油门开度下的转速转矩特性。 一m 一 图2 3 柴油发动机不同油门开度下调速特性曲线图 l l 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 2 2 液力变矩器 目前，工程机械上大多采用柴油机作为动力装置。柴油机具有结构较紧凑、 燃料经济性较高和机动性较好等优点，但是，它的扭矩适应性系数较小，超载能 力有限。解决方法是传动系采取一个自动无级变速装置，即和传动装置的输入轴 相连的发动机的工况( 扭矩、转速) 能基本保持不变，而和车轮相连的传动装置 的输出轴的工况可自动适应外阻力的变化。这样既能避免发动机熄火，又能充分 发挥发动机功率。液力变矩器正是这样的自动无级变速装置。因此，在工程机械 上日益广泛地采用液力传动装置。 液力传动的主要优点【5 6 1 ： 1 使车辆具有自动适应性：当外载荷突然增大时，车辆自动地减速，避免外 载荷的继续增大。同时，自动增大牵引力，以克服增大的外载荷。反之，当外载 荷减小时，自动提高车辆的速度，同时，自动减小牵引力。因此，既保证了柴油 机能经常在额定工况下工作，避免了柴油机因外载荷突然增大而熄火，同时也满 足了车辆牵引工况和运输工况的要求。 2 提高了车辆的使用寿命：液力传动利用液体作为工作介质，故能吸收并消 除来自发动机和外载荷的振动与冲击，因而提高了车辆的使用寿命。以重型载重 车为例，在使用液力传动后，发动机寿命增加4 7 ，变速器寿命增加4 0 0 ，后 桥差速器寿命增加9 3 。这对经常处于恶劣环境下工作的工程机械是值得注意 的。 3 提高了车辆的通过性能：液力传动可以使车辆以任意小的速度行驶，牵引 力可在附着条件容许限度内得到很好地利用，从而提高了车辆的通过性能。这对 工程机械在泥泞、沼泽地带通过或作业都是有利的。 4 提高了车辆的舒适性：采用液力传动的车辆，起步平稳，并在较大的速度 范围内实现无级变速，可以吸收和消除车辆变速行驶时的振动与冲击，从而提高 了车辆的舒适性。 5 简化了车辆的操纵：因为液力变矩器本身就是一个无级自动变速器，相当 于扩大了发动机的动力范围，故变速器的档数可以显著减小，加以采用动力换档 装置后，换档操纵简便，因而大大减小了驾驶员的劳动强度。 液力传动的主要缺点是：成本较一般机械传动高；对车辆的燃油经济性能也 1 2 第二章装载机动力传动系统及其数学模型 有所降低；液力传动的效率低。 2 2 1 液力变矩器结构、工作原理 液力变矩器曾出现过“单级单相式、综合式、导轮可反转式、双泵轮式以及 液力机械分流传动等型式”。本文中研究的定轴式变速器中的液力变矩器为三元 件结构，由三部分组成：泵轮一涡轮一导轮，如图2 4 所示。由这3 个工作 轮组成一个循环圆系统，液体按上述顺序通过循环圆流动。变矩器泵轮和变速器 的供油泵不断地使压力油通过变矩器，这样才能使变矩器工作起作用，即增加发 动机的输出扭矩。同时经变矩器流出的油吸收了变矩器内产生的热量并将热量排 出。 i ) ( b ) 图2 4 液力变矩器结构示意图 1 发动机曲轴2 变矩器壳3 涡轮4 泵轮5 导轮6 导轮固定套管7 从动轴 油液由泵轮流入涡轮，流经涡轮时液流改变方向。涡轮及输出轴所得到的扭 矩大小，取决于负载。导轮( 反作用元件) 置于涡轮后面，其作用是将从涡轮流 出的油经其油道再次改变液流方向并以适当的方向流入泵轮，因此导轮受一反作 用扭矩。将涡轮扭矩与泵轮扭矩之比称为变矩比，通常变矩比随涡轮与泵轮之间 的转速比( f ) 降低而增大。因此，在涡轮不转( 零速工况) 时变矩比最大，随 着输出转速的提高，变矩比会降低。 液力变矩器变矩原理： 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 图2 5 液力变矩器变矩原理图 如图2 5 所示，假定发动机负荷及转速不变，即泵轮转速、转矩为常 数，取工作液体为研究对象，对其进行受力分析：泵轮由发动机带动，给液体转 矩记为；液体由泵轮叶片带动作圆周运动，同时又沿着叶片由内沿流向外沿， 即作相对运动；最后以绝对速度冲向涡轮叶片；涡轮叶片给液体以阻力矩，记 为帆；液流方向发生变化，同理以绝对速度甜：冲向导轮，导轮固定不动，其叶 片给液流一阻力矩，记为；液流改变方向后，液流沿叶片以速度坞冲向泵轮 叶片入口，液体完成一个循环，也就是说，液流又回到了起点。由动量矩定理可 知，液体循环一周，动量矩没有变化，因此液体所受外力矩之和应为零，即( 取 逆时针方向为正) ： 一眠+ + = 0 ( 2 5 ) 即 虬= + ( 2 6 ) 由作用力与反作用力定理可得，三个工作轮上的转矩关系式为： m 。= mb + md ( 2 - 、) 现分阶段讨论导轮传递力矩的方向和大小： ( 1 ) 机械起步前 涡轮转速为0 ，液流沿涡轮叶片直接以，冲向导轮叶片工作面，且与叶片角 1 4 第二章装载机动力传动系统及其数学模型 度较大，液流方向改变很大，即导轮给液流以较大的阻力矩，即较大且为正， 所以起步工况液力变矩器为增扭过程，使得涡轮输出转矩坂大于泵轮转矩。 ( 2 ) 机械加速行驶 当虬增加到足以克服起步阻力矩时，涡轮由o 开始加速，随着涡轮转速的 逐渐增加，“：逐渐向左偏移，即与导轮叶片的角度逐渐变小，也就是导轮力 矩在逐渐变小。当涡轮转速达某一值时，“：正好与导轮出口方向平行，液流 不改变方向直接冲出导轮，即此时= o ，坂= ( 此时相当于液力耦合器) 。 ( 3 ) 机械继续加速 液流速度方向继续向左偏，液流冲击导轮叶片背面，形成背压，方向 为负。则坂= 一，涡轮转矩减小。 ( 4 ) 高速运行 当涡轮速度增加到等于泵轮转速时，即= ，液流没有循环流动，液力 变矩器不能传递动力，此时坂= 0 。 2 2 2 液力变矩器原始特性 液力变矩器原始特性是指泵轮力矩系数砧，变矩系数k 和效率，7 随涡轮、 泵轮转速比f 的变化规律2 4 1 。有 ia 占 =ab ( ，) k= k ( f )( 2 8 ) 【 ，7= ，( f ) 式中：k 变矩器泵轮转矩系数；k 一变矩器变矩系数( 坂) ；，7 变矩器效率；f 变矩器转速比( ) 。 通过m a t l a b 语言进行编程，对变矩比k ，效率，7 ，泵轮力矩系数丸分别 运用p 0 1 妒t 函数，选择n = 2 作为阶次，得到三个2 阶多项式，如式2 9 所示，式 中q 、岛、q ( f = o ，l ，2 ) 分别为变矩比、效率、泵轮力矩系数的二项式系数。 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 f k = 口2 f 2 一口l f + 口0 叩= 6 2 f 2 + 6 l f + 6 0 ( 2 9 ) l 砧1 0 6 = 乞f 2 + q f + 岛 图2 6 某型液力变矩器原始特性曲线 图2 6 为某型液力变矩器的原始特性曲线。图中，为最大效率点，f 为最大 效率对应的转速比。机器正常工作时所允许的最低效率，对工程车辆来说，一般 取矿：o 7 5 ，由此可以确定出f 的范围为【，之】， 2 2 3 液力变矩器的输入特性 液力变矩器输入特性表示泵轮在不同转速下所能吸收传递的转矩，是指泵轮 转矩随泵轮转速的变化关系 m 占= 九触5 刀； ( 2 1 0 ) 式中：为泵轮传递的转矩，明；为泵轮转速，r m i l l ；p 为工作油温 时油的密度，堙珑3 ；g 为重力加速度，g = 9 8 聊s 2 ；d 为液力变矩器循环圆 1 6 第二章装载机动力传动系统及其数学模型 有效直径，聊；九为液力变矩器泵轮转矩系数。 根据液力变矩器的原始特性砧= 如( f ) ，则液力变矩器的输入特性可表示为： = 丸( f ) 触5 力； ( 2 1 1 ) 其中，p 、g 、d 均为常数，每对应一个转速比f 值，可得一液力变矩器本来负 荷抛物线。以f = o 1 的间隔绘制出某型液力变矩器的输入特性曲线如图2 7 所示： 图2 7 某型液力变矩器输入特性曲线 从图2 7 中可以看出，变矩器输入转矩最大出现在转速比f = 0 3 0 4 附近( 即 具有较大的九值) 。同时，图中标出了在效率叩= 0 7 5 时最小转速比和最大转速 比屯的两条输入特性曲线以及在变矩器最高工作效率时对应的f 的输入特性曲 线。 2 3 变速器及驱动桥 普通变速箱实现的功能有：变换档位、实现倒档和实现空档。根据操纵方式 的不同可分为动力换档变速箱和人力换档变速箱。根据轮系型式的不同可分为行 星式变速箱和定轴式变速箱。本文研究的变速器为电液控制定轴式变速器，是由 1 7 装载机定轴式变速器性能及传动系匹配研究 一个液力变矩器和一个具有整体箱体式多档动力换档变速箱组成，能实现前后桥 驱动。 由于本文研究的重点在于装载机自发动机、液力变矩器、变速器至车轮的动 力传动系统，不考虑驱动桥内主减速器、差速器和轮边减速器的影响，所以对驱 动桥进行简化处理，只考虑主减速器和轮边减速器的效率和总传动比，在分析中 将驱动桥并入到变速箱模块中一起考虑。 2 3 1 定轴式变速器结构 该变速箱为平行轴( 定轴) 传动结构，由液压控制的多片式摩擦离合器，能 在带负荷状态( 不切断动力) 接合和脱开，即动力换档。所有传动齿轮均由滚动 轴承支承，齿轮与齿轮之间为常啮合传动。各齿轮、轴承及离合器均由经冷却后 的油进行润滑。换档时，相应档位的离合器